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新能源汽车用电驱动系统总的技术发展趋势是更高的功率密度、更高的效率。高速化是一个有效的技术路线,主流的电动汽车都纷纷选择高转速的电机,以提高动力性能。
表格 1国外主流电驱动系统的最高转速
厂家
最高转速
峰值功率
prius 2004
6000rpm
50kw
prius 2010
13500rpm
60kw
三菱 I-MIEV
13500rpm
60kw
特斯拉Model1
13000rpm
225kw
BMW –i3/i8
11400rpm
125kw
高速化虽然有很多优点,但是也给电机和控制带来很多困难。在电磁上最突出的困难包括如下几个:
如何既保证低速时的转矩,又实现高速时的效率,实现两头平衡;
如何克服稳定裕度下降控制难度增加的困难;
本文探讨的是从永磁同步电机的设计出发,如何解决问题的方法和思路,供大家参考。
下面这个公式清晰的描述了转速和电机参数的关系。
图表 1电机最高转速公式
通过对式分析可看出,提高永磁同步电机(PMSM)的弱磁最高转速有以下四种途径:
(1) 增大极限电压ulim(电压极限);
(2) 增大极限电流ilim(电流极限);
(3) 减小永磁磁链ψf(永磁磁链);
(4)增大直轴电感Ld。
其中前两种方案势必要增大逆变器容量,从而使成本增加。我们需要考虑其他解决方案。
学徒级
减小永磁磁链
减小永磁磁链ψf,当然能提高工作转速,但如此电机的转矩系数降低,如下公式所描述的,为了获得同样的转矩,磁链小了,就需要增加更多的电流,这会导致控制器的电流压力过大,增加成本。因此这是一种简单有效但是有成本代价的方案。
增加直轴电感
比较理想的方法是增大直轴电感,电感大了,较小的直轴电流就能起到好的弱磁效果,因为容易把最高转速公式中的分母变小,从而获得更高的速度。增加电感的方式有很多,一般会在转子的结构上作文章,比如增加磁桥的厚度,或者把磁钢分段,增设中间磁桥,下图就是两种增加分段磁桥的方法,这些方法都能够有效增加直轴电感。
但问题没有那么简单, 因为增加了直轴电感也会有坏处的,若交轴电感没有增加,那么电机的凸极比会下降,电机的磁阻转矩比例会下降,转矩密度降低。而且增加Ld的措施会增加漏磁,减小永磁体的利用率,如下图所示。分段结构虽然虽然转速上去了,但漏磁系数增加了,平均转矩也下降了。因此增加直轴电感是一种简单有效学徒方法,它会带来很多副作用。
专家级
世界是复杂的,事情是多面的,学徒级手段只是单方向的解决问题,很快就会碰到天花板,因此需要辩证的看待问题,利用组合的优化策略,来弥补学徒级手段的不足,这就有了专家级的优化策略。
增加交轴电感(提高凸极率)
从下面的公式可以看出,永磁电机的转矩有两部分组成,一部分是永磁体提供的永磁转矩下降,另一部分是由于交、直轴电感差异引起的磁阻转矩。为了提高速度,直轴电感(Ld)增加,永磁磁链降低,会导致永磁转矩下降,有必要提高磁阻转矩,因此需要增加交轴电感(Lq),从而提高凸极率
怎么增加交轴电感呢,还是在转子结构上做文章。下面介绍一下Prius的电机经验,Prius第一代电机THS是采用一字结构(下图左下),最高转速6000rpm。
第二代THSII型在转矩增加的基础上,转速不降反升,达到了6400rpm,核心的原因就是采用了V字结构,这种结构凸极率更高,交直轴电感都高于一字结构。
在第三代产品THSIII中,他们对V字结构的研究渐入佳境,增设了V字底部的磁桥,这样做虽然会增加直轴电感,但会降低永磁磁链,怎么补偿呢?仔细分析后会发现:较第二代产品,他们V字的夹角(图中的θ)变小了,这样交轴磁路通道变宽,交轴电感大幅上升,如此磁阻转矩得以提高,磁阻转矩占60%以上(最大转矩工况),这样带来的效果,不但最高转速上去了,电机成本也大幅下降(有60%的转矩不是昂贵的磁钢提供的)。
降低饱和度
饱和度低了,不但能够同时提升交直轴电感,还提高凸极率。除了在转子结构外,优化定子齿槽面积比例,能够降低定子的饱和度,下面是一个专家研究在槽数不变的情况下,改变定子槽齿的宽度(齿槽比)比对饱和度的影响。
从电磁场云图中可以发现,随着齿的面积增加,磁场的饱和程度会降低,电机的凸极率会上升。
齿槽比过高会导致电机嵌线困难。需要改进工艺手段,获得更高的槽满率,二者相结合可以更有效的提高电机的弱磁扩速能力。
此外通过优化槽极比也能够提高凸极率,通过气隙和匝数的选择也可以,很多高手都做过论述,但总的基调就是增加直轴电感,增加凸级率。
大师级
人对世界的认识是无止境的,有些人总是看得更细、看得更全面。 因此称之为大师,在如何提高弱磁扩速能力问题上,他们有更深刻的见解,更丰富的手段。当更深入的时候,我们会发现两个同样的电机都能达到某个高速水平,但它们实现的难度是不一样的,实现的质量也是不一样的,如何衡量这种水平差异,我们需要建立更底层的指标体系。
正弦度
如果从控制器的角度出发,我们会发现有些电机难控制,有的电机好控制,在高速的时候,这种差异会更大,有些电机虽然也能达到高速,但对控制的参数的敏感度更高,控制的稳定裕度也会更低,极容易失稳,到底是什么在影响呢?其中一个是正弦性。
气隙磁密可以看成是基波和谐波的合成
完全意义上的正弦电机是不存在的,我们可以把电机理解成一台基波正弦电机和若干台谐波电机的组合。同时控制这么多电机是不现实的,正常的情况下,基波正弦电机的能力远大于其它谐波电机,控制器只需要控制好基波电机就可以了,这叫抓住主要矛盾。也就是说基波电机和谐波电机的能量比例越悬殊,控制就越简单。衡量这个比例的指标叫正弦性。 我们一般讲永磁气隙磁密的正弦性、电枢磁密的正弦性等等,正弦性越好,控制越简单,越容易实现高速。
可以通过许多手段来优化正弦性,比如采用偏心的转子结构,如上图所示,可以通过调整极弧系数和偏心距来实现。但在高速时,情况有所不同,因为电枢反应中有了很强的去磁成分,这个时候磁场主要是由永磁磁场和直轴磁场合成的,光永磁磁场的正弦性不足以保证合成磁场的正弦性,有些电机在这种工况下正弦性会极具恶化,导致谐波电机含量变高,只控制基波电机会导致控制困难,因此需要以弱磁状态下的合成磁场的正弦性作为优化设计目标。
线性度
这里的线性度,指的是交直轴电感的线性度。 控制工程师总是希望,电机的电感是常量,是不随电流变化而变化的,这样他们控制起来就很简单,他们把这种电感不怎么变化的电机叫线性电机。
交轴电感随电流变大而变小
但在现实世界中,这种电机是不存在的,存在的都是非线性的电机。就是电感参数会随
着电流的大小而变化,特别是内置式永磁同步电机,非线性是很强的,在弱磁状态下,电磁场是永磁磁场、直轴磁场、交轴磁场三者的合成,虽然直轴磁场总体上是去磁的,是退饱和化的,但那只是总体上而言的,在某些局部位置反而是会加剧饱和的,这就导致了电感不但呈现出对电流的非线性,在不同转子位置也会有差异。这种情况就比较复杂了,控制工程师处理这类问题就非常棘手,需要反复调整控制参数。线性度差的电机就不容易控制,因此考察在高速弱磁状态下:电感的线性度,可以衡量出这台电机的控制质量。优化电感线性度,就是考察设计者功力了,需要对永磁、直轴电枢、交轴电枢三种磁场的走向和特性都有深入的理解,没有应手的工具很难做到。EasiMotor软件就是这样的利器,他们提供了一种脚本,能够分离出三种磁场并单独观测,让你能够驾驭局部饱和随位置变化的规律。
抗退磁能力
前面两种手段都是从控制的角度来评判电机的高速能力,其实从电机本体出发,也存在能力的高下的,我们知道如果控制器没有电流限制,可以一直加弱磁电流,直到主磁场强度为0,这个时候在理论上是可以具备无限转速的,但这里有个问题,就是永磁体会退磁的。有些电机,当主磁场弱化到一半时就出现局部退磁了,有些电机则可以弱化更多,后者显然就具备了更高的弱磁能力。
为什么说直轴电流容易退磁,因为它的磁场方向是通过永磁体,而且和永磁体磁场方向相反。如下图所示,直轴磁场除了通过转子外圆侧的磁桥短路外,其它的全部打向永磁体。
因此直轴电枢反应会影响磁钢的工作点,有些局部位置会出现极小的磁密,磁密越低越容易退磁。好的电机设计,会在深弱磁状态,不出现局部退磁,在高速运行安全可靠。
永磁体磁场分布的不均匀性
如何优化永磁体的局部磁密? 通常采用分流、导流、增加磁钢厚度、增加磁钢矫顽力等多种手段的组合使用。这里不详细展开,当然需要有一款有限元软件能够及时反馈出你做的手段的有效性。
总结
车用永磁同步电机的高速化是大势所趋,如何衡量和优化高速弱磁能力不但是控制研究的重点,也是电机本体设计的重点,好的设计目标不但是能否达到高速,还要求提高运行质量,包括控制的难易程度和本身的安全程度。本文只是介绍了别人常用的思路和手段,还有许多方法没有来得及介绍。但只要专注专研,人人都可以成为大师。
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